Design of continuous-time sigma-delta modulators with inverter-based amplifiers for sub-1V applications - Aguirre, Paulo Cesar Comassetto de (2019)
Conversores analógico-digitais (ADCs) são essenciais em aplicações que vão desde instrumentação eletrônica a modernos sistemas de comunicação e dispositivos para Internet das Coisas (IoT). Essas aplicações exigem circuitos confiáveis e com baixo consumo de energia para prolongar a duração da bateria, e capacidade de operação em baixa tensão para permitir dispositivos acionados por colheita de energia. Uma das topologias de ADCs mais adequadas para aplicações de baixa tensão e baixo consumo de energia é o ADC Sigma-Delta, cujo principal desafio de projeto são os amplificadores operacionais de transcondutância (OTAs) de baixa tensão empregados no filtro de laço do modulador. Esta tese apresenta o desenvolvimento de moduladores sigma-delta em tempo contínuo (SDMs-CT) com amplificadores baseados em inversores CMOS para aplicações sub-1V. O estado da arte de SDMs-CT com amplificadores baseados em inversores foi delimitado, e dois protótipos de SDMs-CT de baixa tensão foram projetados e caracterizados experimentalmente. O primeiro protótipo é um SDM-CT com tensão de alimentação de 0,6 V que utiliza no filtro de laço um ressonador projetado com apenas um OTA, e adota uma estrutura de baixa potência para implementar os coeficientes em avanço e quantização. O OTA baseado em inversores CMOS utilizado é de um estágio e utiliza uma célula de condutância negativa para aumento de ganho DC. O controle da tensão de modo comum de saída e a mitigação dos efeitos devido a variações de processo, tensão e temperatura (PVT) é efetuada por uma técnica de polarização do terminal de corpo dos transistores dos inversores. Uma técnica para mitigar os efeitos do ganho DC finito do amplificador na função de transferência do ressonador também é apresentada, permitindo o uso de amplificadores de baixo ganho (≤ 40 dB). O modulador proposto foi fabricado em tecnologia CMOS de 130 nm com uma área ativa de 0,232 mm2 e apresentou SNR/SNDR de pico de 69,04/59,43 dB e um DR de 74,2 dB para sinais de até 100 kHz, enquanto o consumo de energia é de 89,50 μW. O segundo protótipo é um SDM-CT de terceira ordem, com três integradores no filtro de laço, e uma rede RC para auxiliar o amplificador do primeiro integrador. O OTA baseado em inversor proposto utiliza um espelho de corrente baseado na tensão de corpo do transistor para fornecer seu ponto de operação e reduzir as variações do produto ganho-faixa (GBW). O modulador proposto foi fabricado em tecnologia CMOS de 180 nm com uma área ativa de 0.36 mm2. O filtro de laço modulador opera com uma tensão de alimentação de 0,45 V, enquanto o circuito digital opera com tensão de 0,6 V. O consumo de energia é do modulador é 28,72 μW. Para uma largura de banda de sinal de 50 kHz, o SNR/SNDR de pico é 71,24/70,64 dB e o DR obtido é de 78,3 dB, proporcionando uma figura de mérito de Schreier de 170,70 dB.